Sumpfpflanzen in der Abwasserreinigung

FAQ: Sumpfpflanzen in der Abwasserreinigung


Frage 1:
Welche Pflanzenarten haben sich außerhalb Europas, vor allem in wärmeren Klimazonen bewährt? Zur Antwort

Frage 2:
Was sind die Ursachen für die vereinzelt, teilweise auch gehäuft, auffällig gelb gefärbten Schilfpflanzen im Bestand? Zur Antwort

Frage 3:
Wie jeden Winter stehen bzw. liegen große Mengen Schilf auf den Bodenfiltern. Diese möchte ich entfernen lassen, um einer Versiegelung der Oberfläche entgegen zu wirken. Spricht etwas dagegen, das Schilf in geringer Höhe über dem Bodenfilter abzumähen und entfernen zu lassen?
(Frage eines Betreibers - Schilfkläranlage 7.500 m²)  Zur Antwort

Frage 4:
Kann das Schilf Ihrer Pflanzenkläranlagen auch zur Schwermetalldekontamination belasteter Böden genutzt werden? Zur Antwort

Frage 5:
Warum überleben Sumpfpflanzen in wassergesättigten Böden? Zur Antwort

Frage 6:
Massenauftreten von Schilfgallenfliegen (Lipara ssp.) . Weitergabe von Beobachtungen unseres Kollegen Gödecke vom 14. Juni 2011 Zur Antwort

Frage 7:

Was verstehen Sie unter Wurzelmattenfilter? Zur Antwort

 


 

Antwort zu Frage 1

Welche Pflanzenarten haben sich außerhalb Europas, vor allem in wärmeren Klimazonen bewährt?

Bei unseren Auslandsprojekten in Asien, Afrika und Mittel- und Südamerika nutzen
wir nahezu ausnahmslos einheimische Sumpfpflanzen:

Im Mittelmeerraum und angrenzenden ariden Zonen (und auch in anderen Ländern,
wie die Beispiele zeigen):

Lokale Ökotypen von Phragmites communis (synonym australis), die dort bis zu 6 m hoch werden:

Ferner ist dort Arundo donax eine häufig bevorzugte Pflanze.

Oder wir greifen auf nahe Verwandte zurück, z. B. Phragmites karka, in Ländern wie Niger und Tschad.

Weiter südlich in Afrika, aber auch z. B. in Mexiko und Indonesien ist Cyperus papyrus unser Favorit.
In Südamerika nehmen wir Scirpus tatora (synonym Schoenoplectus), z. B. Ecuador, Peru oder Zizaniopsis bonariensis in Brasilien).

Ebenfalls gut geeignet ist in Äquatornähe die Gattung Typha (latifolia oder angustifolia), z. B. in Indonesien, Indien und Vietnam bisher erfolgreich von uns eingesetzt.

In Vietnam haben wir ferner bei einer Industrieabwasserbehandlungsanlage - Tapiokastärke-Fabrik - unter anderem noch folgende Spezies erfolgreich getestet.

Daneben gibt es eine Fülle lokaler Seggen (Carex ssp.), die als Begleitpflanzen eingesetzt werden können.

In vertikal durchströmten aeroben Bodenfiltern, die intermittierend beschickt werden, ist das potentielle Pflanzenspektrum noch wesentlich größer:

Im Gegensatz dazu dominiert am anderen Ende der Klimazonen bzw. Breitengrade – in den winterkalten Gebieten – z. B. Nordchina, Russland, Skandinavien wieder Phragmites communis (synonym australis) mit lokal angepassten Ökotypen, die monatelange Frostperioden von - 20 bis - 30 °C problemlos überstehen.

Für Sondereinsatzbereiche wie z. B. für unser riverbank wetland garden concept im Großraum Shanghai nutzen wir natürlich das gesamte potentielle Sumpfpflanzenspektrum aus, da hierbei auch landschaftsästhetische Aspekte eine dominante Rolle spielen.

Bei Vorklärteichen oder nachgeschalteten Schönungsteichen darf natürlich – neben zahlreichen Nymphaceen (Seerosengewächsen) – die kulturell berühmte Nelumbo nucifera (Lotusblume) in vielerlei Hinsicht nicht fehlen.


Antwort zu Frage 2

Was sind die Ursachen für die vereinzelt, teilweise auch gehäuft, auffällig gelb gefärbten Schilfpflanzen im Bestand?

Es handelt sich um Chlorosen, also einen Chlorophylldefekt der Pflanzen, der zu diesen Vergilbungserscheinungen führt. Mögliche Ursachen für die mangelhafte Chlorophyllbildung oder den vorherbstlichen Chlorophyllzerfall sind Krankheitserreger, vor allem Viren oder Nährelementmangel. Hierbei stehen Stickstoff, Eisen und Schwefel im Vordergrund, die solche auffälligen Gelbverfärbungen bei Mangelernährung verursachen.

Warum schließen wir eine Virose aus? Bei der betrachteten Kläranlage haben wir direkt neben dem betroffenen Schilfbestand der Planzenkläranlage (5.000 m²) auch eine
2.500 m² große Klärschlammvererdungsanlage mit dem gleichen Phragmites communis-Ökotyp bepflanzt. Letztere zeigt keinerlei Chlorosen; im Klärschlamm sind offenbar keine Nährstoffdefizite. Wenn es eine Virose wäre, die überwiegend über Blattläuse als Vektor verbreitet wird, müsste das Phragmitetum der Vererdungsanlage ebenfalls befallen sein.
Das beschriebene - nicht seltene Phänomen - hat keinen messbaren Einfluss auf die Reinigungsleistung der schilfbepflanzten Bodenfilter. Wir haben daher stets von Bekämpfungsmaßnahmen abgeraten, weil teuer und überflüssig. 

 

 


 

Antwort zu Frage 3

Wie jeden Winter stehen bzw. liegen große Mengen Schilf auf den Bodenfiltern. Diese möchte ich entfernen lassen, um einer Versiegelung der Oberfläche entgegen zu wirken. Spricht etwas dagegen, das Schilf in geringer Höhe über dem Bodenfilter abzumähen und entfernen zu lassen?
(Frage eines Betreibers - Schilfkläranlage 7.500 m²)

Meine generelle Einstellung dazu ist, dass das Schilf nicht gemäht werden sollte. Wir haben dies in den letzten 30 Jahren auch ganz überwiegend bei unseren Projekten so durchhalten können.

Meine Gründe lauten wie folgt:

Das abgestorbene Schilf bildet eine oberirdische Streuschicht aus (Detritus), die in der Bodenkunde als Auflagehorizont (Of ) bezeichnet wird und wichtige Funktionen erfüllt. Da gut belüftet und hoch belebt, ist es eine mikrobiell sehr reaktive Zone. Je nach Zersetzungsform der organischen Substanz in einem Waldboden wird sie als Rohhumus-, Moder- oder Mullschicht angesprochen. Die allmählich fortschreitende Zersetzung dieser organischen Substanz, also im wesentlichen Blätter und Stängel, liefert ständig Huminstoffe an den Boden, die dessen Wasserspeichervermögen und Adsorptionsfähigkeit deutlich erhöhen. Im Kontext der Abwasserreinigung (als zweite oder dritte Reinigungsstufe) ist diese Schicht ferner eine Kohlenstoffquelle, die zumindest eine teilweise Denitrifikation erst ermöglicht.

Bei Starkfrösten ist es außerdem eine sehr wirkungsvolle Wärmedämmschicht, vor allem wenn der Schnee fehlt, der ein Einfrieren des Bodenkörpers bei Barfrösten, verhindert.

Die aus meiner Sicht effektivste Pflanzenkläranlagenvariante ist die sogenannte integrierte Schlammabwasserentsorgung, bei der Rohabwasser ohne Absetzstufe und nur über einen Grobrechen vorgereinigt einer Schilfkläranlage zugeführt wird. Der im Abwasser vorhandene Primärschlamm wird auf der Oberfläche abgefiltert. Dies ist das von Deutschland nach Frankreich exportierte Verfahren, das dort in etwa 800 realisierten Anlagen als Standard anzusprechen ist. Dabei ist zu beobachten, dass in den ersten zwei Jahren der sich auf der Oberfläche ablagernde Primärschlamm zunächst zu Kolmationen führt. Dann bildet sich jedoch eine Streuschicht durch abgestorbenes Schilf, die oberflächennah eine hochdurchlässige, puffige Schmutzdecke ausbildet, die langfristig durchlässig bleibt. So gesehen kann also das als Strohschicht vorhandene Schilf den darunter befindlichen Sandfilterkörper sogar vor Kolmationen schützen.

Ich räume allerdings ein, dass die absetzbaren Stoffe im Rohabwasser eine eher sperrige Struktur haben sollten und dass wir es im Falle der Ertüchtigung bestehender konventioneller Kläranlagen mit feindispersen Sekundärschlämmen zu tun haben, bei denen der geschilderte Effekt möglicherweise nicht so günstig ausfällt.

Die Stadtentwässerung Einbeck in Niedersachsen betreibt zwei größere Pflanzenkläranlagen als biologische Hauptklärstufe (jeweils rund 1.000 EGW) und mäht das Schilf jeden Winter. Es gibt also beide Vorgehensweisen und ein abschließendes Urteil, ob notwendig oder verzichtbar, kann zur Zeit nicht gefällt werden. Ich habe natürlich Verständnis dafür, wenn der optische Eindruck der ist, dass das sich zersetzende Schilf auf der Oberfläche zu Versiegelungen führt.

Generell empfiehlt sich zur Schilfernte die Winterzeit. In Norddeutschland wird das Reet für die Dächer auf gefrorenen Teichen geerntet, wobei darauf geachtet wird, dass kein Wasser oder Abwasser in die verbleibenden Stoppeln laufen kann, da sonst die Pflanze erstickt. Wenn also gemäht wird, sollten die verbleibenden Strohhalme immer noch ein paar Zentimeter höher sein als der größtmögliche Beckeneinstau nach Starkregenereignissen (also mindestens 30 - 40 cm über Becken-GOK).

Bei manchen Anlagen - auch kleinen Hauskläranlagen - haben wir ein Anwachsen der Streuschicht beobachten können, so dass der Neuaustrieb der Schilfpflanzen im Frühjahr durch Beschattung massiv behindert wurde, quasi ein Verlandungs"-problem" wie bei Mooren. In diesem Falle empfehlen wir den Betreibern das Schilfstroh abzuharken und zu kompostieren. Erfahrungsgemäß ist dies nur alle 5 - 10 Jahre nötig. 

 

Unter tropischen und subtropischen Bedingungen wird das Schilf teilweise sechs Meter hoch und die abgestorbene Biomasse wird mangels Feuchtigkeit kaum mineralisiert und türmt sich dann, wie in nachfolgendem Bild zu sehen, nach fünf Jahren Betrieb bis zu zwei Meter hoch auf. Das Beispiel stammt von der zweistufigen Pflanzenkläranlage Al Hamra, Ras Al Khaimah, Vereinigte Arabische Emirate und zeigt die sogenannte A-Stufe, die mit Rohabwasser beschickt wird. Die Anlage ist fünf Jahre nicht gemäht worden. Der Schilfaustrieb und die Halmdichte pro Quadratmeter nimmt dann drastisch ab. Die Pflanzen ersticken gewissermaßen an ihrem eigenen Bestandsabfall. In solchen Fällen empfehlen wir natürlich die zuwachsende Biomasse alle zwei Jahre zu entfernen und zu kompostieren.

Schilfernte im Naturfreibad Göttingen-Grone im Frühjahr 2020

Antwort zu Frage 4

Kann das Schilf Ihrer Pflanzenkläanlagen auch zur Schwermetalldekontamination belasteter Böden benutzt werden?

Ja, durchaus. Schilf (Phragmites australis bzw. communis)  hat eine hohe Schwermetalltoleranz im Vergleich mit anderen Sumpfpflanzen und eignet sich damit prinzipiell zur Phytoremediation. Die Schwermetallanreicherung erfolgt dabei proportional zur Konzentration im Medium. Die Akkumulation ist bei Zink am höchsten gefolgt von Blei , Cadmium, Chrom , Kupfer und Nickel. Bei einem Biomasseertrag in der Größenordnung von 20t Trockenmasse pro Hektar und Jahr kann in etwa mit folgenden Entzugsleistungen gerechnet werden:


    As         4    g/ha * a                 
    Pb        30   g/ha * a
    Cr        10   g/ha * a
    Cu        70   g/ha * a
    Zn         5  kg/ha * a

Die Entfernung erfolgt dann über Ernte und Verbrennung.

 

 


 

Antwort zu Frage 5

Warum überleben Sumpfpflanzen in wassergesättigten Böden?

Mindestens seit den vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts ist bekannt, dass Sumpfpflanzen (Helophyten) den Sauerstoffbedarf für ihre Wurzelatmung dadurch befriedigen, dass sie diesen aus der Luft über große Gewebehohlräume in Sproß und Rhizomen zu den Wurzeln führen. Durch diese Luftleitgewebe (Aerenchyme) wird andererseits Kohlendioxid und Methan aus dem wassergesättigten Boden abgeführt.

Aerenchym (Sternparenchym), ein Durchlüftungsgewebe mit großen Interzellularräumen zum Gaswechsel untergetauchter Pflanzenorgane.
(Die Aufnahmen stammen von unserem langjährigen früheren Mitarbeiter, Dipl. Elektro. Ing. Alfred Becker)


Weitere spektakuläre Aerenchym-Mikroskopaufnahmen finden Sie hier:

Einfach nur schön

 

Dieser Gaswechsel zwischen Sediment und Atmosphäre -über Gradienten vom Gaspartialdrücken und durch Konvektion - findet auf im Winter über die abgestorbenen oberirdischen Strohhalme der Schilfpflanzen statt.
Es ist durch zahlreiche Arbeiten belegt, dass auch in die Umgebung der Wurzeln (in die Rhizosphäre) Sauerstoff abgegeben wird. Die Angaben über die Quantität dieser Bodenoxidation schwanken jedoch sehr beträchtlich in der Wissenschaftspublizistik. Der quantitative Beitrag, den dieser Sauerstoffinput zur Abwasserreinigung leistet (leisten kann) ist entsprechend umstritten.

Das Wurzelhaar in obigem Video ist natürlich animiert. Wie so ein Wurzelhaar realiter aussieht, sehen Sie auf beigefügtem Mikroskopbild (800-fache Vergrößerung, Bildautor: Alfred Becker) von einer unserer Schilfpflanzen (Phragmites australis):

 

 

 

 


 

 

Antwort zu Frage 6

Massenauftreten von Schilfgallenfliegen (Lipara ssp.) . Weitergabe von Beobachtungen unseres Kollegen Gödecke vom 14. Juni 2011

Sehr geehrter Herr Blumberg und Mitarbeiter,
 
bei "meinen" Frühjahrsinspektionen habe ich auf mehreren Anlagen = Schilfstandorten ein überdurchschnittliches Schadbild (Massenbefall) durch
Schilfgallfliegen (Lipara spec.) festgestellt. Die betroffenen Schilfbestände sind gut etabliert und haben dementsprechend die passenden (dicken) Halmdurchmesser. Weiterhin ist ungewöhnlich, dass die neue diesjährige Fliegengeneration bereits vor zwei Wochen geschlüpft ist. Normalerweise schlüpfen und paaren sich jetzt erst die überwinterten Fliegen. Anbei ein paar Beweisbilder. Infolge der frühen 1. Generation kann es noch eine zweite in diesem Jahr geben, wodurch eine zweiter Schadangriff auf die Pflanzen zukommt. Die geschädigten Pflanzen waren meist zwischen 1.2 ... 2.5 m (je nach Anlage), Spross völlig blockiert und trieben teilweise schon dünne Seitentriebe. Diese bilden potenzielle Angriffspunkte für Schilfgallfliegen (Giraudiella inclusa). Die Gallen waren etwas kleiner als sonst im Sommer. Vielleicht den saisonal noch kleineren Pflanzen geschuldet? Es wird also nicht einfach für das Schilf dieses Jahr. Also Augen auf bei der Anlagenbetreuung!
 
Vielleicht können Sie mir bei meinen Fragen helfen?
 Wer hat ähnliches beobachtet?
Ist es vielleicht nicht Lipara lucens, sondern eine andere Art (L. rufitarsis oder L. similis)?
Wer hat nähere Information zum Generationszyklus von Lipara?
Welche Informationen gibt es zu Prädatoren und deren Erfolg (Schlupfwespen Scambus detrita ...) die Massenvermehrung einzudämmen (natürl. Zyklen)?
 
Mit freundlichen Grüssen
 
Denis Gödecke


 

ANTWORT ZU FRAGE 7

Was verstehen Sie unter Wurzelmattenfilter?

 

Ein Wurzel- und Rhizomgeflecht, das Pflanzen ohne Boden von selbst generieren und das z.B. zur Wasserreinigung als mechanisch-biologisch wirksames Raumgefüge genutzt werden kann (root mat filter).

Es ist nichts Neues, dass Pflanzen (z.B. Tomaten, Salat etc.) ohne Boden nur mit Kontakt zu einer Nährlösung wachsen und beerntet werden können (Hydrokultur):

Indes brauchen sie einen Halteapparat, um nicht umzufallen. Wir erzeugen Wurzelmattenfilter, indem wir Ihnen zunächst eine Stütze vorgeben, z.B.:

 

1. Pflanzenträgermatten aus synthetischem Material

1.1 Kunststoffwirrgelege

1.2 PP-Vlies

Dieser vorläufige Pflanzenträger wird nach eine bis zwei Vegetationsperioden vollkommen überprägt dadurch, dass die initiale künstliche Vorkulturmatte überflüssig wird, indem die Pflanzen ein Stützgerüst aus Wurzeln und Rhizomen selber ausbilden, dass das ursprünglich anthropogene "Stützkorsett" völlig entbehrlich macht, weshalb dieses vorzugsweise aus mikrobiell abbaubarer organischer Substanz wie Kapok, Kokosgewebe, Schurwolle oder anderen organischen Substraten bestehen sollte.

2. Pflanzenträgermatten aus organischem Material

2.1 Kokosfaser

2.2 Schurwolle

Unter den genannten Bedingungen bildet sich ein Mikrohabitat für verschiedenste Pflanzen, die anders als bei bodengebundenen Pflanzengesellschaften, weniger konkurrieren und damit zur Dominanz der wettbewerbsstärksten Spezies als vielmehr zur Koexistenz der ursprünglich angesiedelten Arten der Erstbepflanzung führen.

Die in obigen Bildern dargestellten, aus jeweils mehreren Sumpfpflanzenarten wie Seggen, Binsen, Schachtelhalmen, Blutweiderich, Sumpfdotterblumen und Moosen bestehenden Pflanzengemeinschaften, sind in den zur Kultur genutzten Flachschalen (7 - 12 cm hoch) außerordentlich stabil. Der menschliche "Eingriff" besteht lediglich in steter Wasserversorgung, einer einmaligen Düngung pro Jahr und einer gelegentlichen mechanischen Entfernung von terrestrischen Gräsern, die sich durch Samenanflug ebenso etablieren können, wie feuchtigkeitsliebende Baumarten, z.B. Schwarzerlen, sofern diese in relativer Nähe wachsen und aussamen.

Solche erdelosen "Wurzelräume", die nur aus einem natürlichen Geflecht von Fein-, Grobwurzeln und Rhizomen bestehen (Hydrokultur, Hydroponik) und durch Bewässerung und Düngung (Fertigation) vital erhalten werden, sind nicht nur für den Gemüseanbau in Gewächshäusern von Bedeutung, sondern können auch für ökotechnische Wasserreinigungsverfahren wie künstliche Teichinseln (floating islands) oder Sumpfpflanzendächer (wetland roofs) sinnvoll genutzt werden.

Wurzelmattenfilter lassen sich auch als überstaute Festbettreaktoren definieren, mit Wurzeln als Trägermaterial für mikrobielle Biofilme. Diese sessilen Mikroorganismengemeinschaften bewirken die Reinigungsleistung, die bei der dreidimensionalen Durchströmung des lebenden „Wirrgeleges“ erfolgt. Fallweise, z.B. bei organisch hoch verschmutzten Abwässern, können diese Abbauprozesse auch durch eine technische Sohlbelüftung und durch zusätzliche Filtersubstrate, wie z.B. Blähton, stark intensiviert werden.